葛全國,夏均鳳
(1 濟寧市兗州區(qū)源匯規(guī)劃設計院;2 山東聯(lián)誠精密制造股份有限公司,山東 濟寧 272100)
我國人口眾多,用水需求量大,加上用水效率低等原因,導致目前水資源緊缺情況較為嚴重。為了節(jié)約水資源,發(fā)展綠色經(jīng)濟,需積極探索新的道路,雨水回收利用近些年極受關注,相關研究也越來越多。經(jīng)過處理后,回收的雨水可作為非飲用水,用于綠化、沖廁等,具有良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益,是未來水資源利用的重要方向。
雨水回收利用系統(tǒng)是指根據(jù)需求收集雨水并進行過濾處理,最終使處理后的雨水達到使用標準的系統(tǒng),具有良好的節(jié)水效益和環(huán)境效益,在現(xiàn)代社會應用越來越多。系統(tǒng)涵蓋了雨水收集的整個過程,可分為五個環(huán)節(jié),即雨水收集管道收集雨水—棄流截污—雨水收集池存儲雨水—過濾消毒—凈化回用,當前主要由棄流過濾、蓄水、凈化三個子系統(tǒng)組成。
雨水收集主要來自屋面和地面,建筑雨水經(jīng)過雨水立管排到室外淺草溝,經(jīng)雨水管道流向雨水回用井,最終匯集在蓄水池;地面雨水經(jīng)過簡單過濾處理后流入蓄水池。蓄水池建設可根據(jù)最大月降雨量折算到日進行設計,以免儲水容積不足,池內設置水位控制傳感器,實時控制水位,超出警戒值后排出多余的雨水。
降雨初期的雨水含有雜質和污染物,多會選擇棄流,但需要對其加以處理,以減少污染。通常會選擇使用棄流裝置,比如,雨水截污初過濾裝置可以收集雨水中的雜物;浮力式雨水截流裝置,自身預留有進管、出管和排污管接口,適用于初期棄流和后期干凈雨水的收集,使用非常方便;過濾器則起到過濾雜質的作用,以減少后端蓄水池的沉淀物。凈化系統(tǒng)具有消毒、過濾、去污等功能,是系統(tǒng)的關鍵所在,經(jīng)過凈化,水質達到規(guī)定標準后才能使用。
建設雨水回收利用系統(tǒng),可以節(jié)約市政供水,從而減少經(jīng)濟支出,其經(jīng)濟效益與回收利用的雨水量有著直接關系。所以,首先要計算出當?shù)氐挠晁偭?,再計算出能夠利用的雨水量,求得?jié)約的市政供水量,最后轉化為具體經(jīng)濟效益。
雨水收集主要來自地面和屋頂,地面雨水雜質較多,棄流過濾后,經(jīng)過沉淀才能排入蓄水系統(tǒng),屋頂雨水相對干凈,污染物源沒有那么復雜,棄流過濾后可直接排入蓄水系統(tǒng)。雨水設計徑流量一般按照公式進行計算,其中,Ψ 為雨水設計徑流系數(shù),α 為每年降雨總量,F(xiàn)為匯水面積,W 為降雨設計徑流總量。而在實際降雨過程中,初期的雨水徑流中含有雜質和污染物,如果當?shù)赜泄S,加上汽車排放的尾氣進入雨中,導致降雨含有某些化學污染物,不符合用水標準。因此,降雨初期的徑流量通常會被棄掉,以減少污染,節(jié)約處理成本,只收集中后期的雨水徑流量。棄流雨水總量可按照公式進行計算,其中,β 為初期棄流的徑流厚度。W 和W1之差即為可回收利用的雨水總量,進而可得公式,其中,Y 是每年節(jié)約的經(jīng)濟效益,η 為雨水回收利用率,P 是當?shù)禺斈甑乃畠r。
雨水回收利用系統(tǒng)需要各方面都有足夠的投入,從設計到建設,再到運行后的維修管理,直至報廢,
整個過程都牽涉經(jīng)濟效益,所以需要分析綜合成本??傮w來講,成本主要可分為建設、運行維護、管理幾大部分,在建設完成投入使用后,隨著社會發(fā)展,經(jīng)濟水平提升,還需考慮資金的時間價值和營運期間成本的上漲,進而更加準確地計算出成本。正常情況下,雨水回收利用系統(tǒng)建設成本較高,即早期投入比一般建筑投入多,投資回收期長,需從長遠考慮。成本費用可參照公式進行計算,其中,T 是當年的綜合成本,T1是建設初始投資,T2是年運營費,T3是年維護費,T4是年管理費,R 是設備殘值。計算時,因為涉及到電費、維護費、人員工資、銀行貸款利率等費用項目,各地每年都有一定程度的調整,所以要結合當?shù)厍闆r具體考慮??傊瑥睦碚撋现v,雨水回收利用系統(tǒng)還具有節(jié)約市政供水、保護環(huán)境等社會效益和環(huán)境效益,在此只考慮其經(jīng)濟效益,主要體現(xiàn)在節(jié)水效益上。
因是長期投資,變動的因素較多,進行成本分析時需采取動態(tài)投資回收期的方法,即根據(jù)每年的凈現(xiàn)金流量折成現(xiàn)值后再推算投資回收期,牽涉各地水價,需結合過去和當前的水價預估未來價格,另外,還要預估未來的運營管理成本,是一項較為復雜的工作。
某居住小區(qū)位于我國北方A 市,占地總面積為12 萬m2,住宅建筑用地為6.5 萬m2,綠地率約為35%。小區(qū)內共有住戶1300 戶,由東向西依次布置,住宅均為平屋頂,便于雨水收集?;厥盏挠晁饕糜诰G化、洗車、小區(qū)內景觀池,系統(tǒng)建設成本投入約為210 萬元,設研究期為20 年,通過對未來20 年該系統(tǒng)的經(jīng)濟效益情況,來分析項目是否可行。
水價直接影響到節(jié)水效益,我國各地的水價并不一致,且每年可能都有調整,加上不確定性因素較多,也很難找出特定規(guī)律明確定價標準。目前,我國水資源短缺現(xiàn)象非常明顯,國家提倡節(jié)約用水、環(huán)保用水,為防止過度浪費,未來的水價很有可能會逐年上漲,所以有必要運用時間序列法對未來的水價趨勢進行大致預估。
在該工程項目中,搜集A 市從1990 年到2018 年的水價信息,從1990 年的0.12 元/噸,到2018 年的2.15 元/噸,可發(fā)現(xiàn)變化很大,期間基本一直呈上升趨勢。結合二次曲線、三次曲線、復合曲線等方法做綜合分析,可列出表示A 市水價和時間關系的公式,推算未來水價,再求得每年具體的節(jié)水效益。
計算雨水回收利用量需考慮A 市的氣候,該地為溫帶季風氣候,根據(jù)當?shù)亟?0 年的降雨量統(tǒng)計結果來看,平均年降雨量為620mm,常年降水天數(shù)為103.6 天,集中在每年的6 ~9 月。雨水收集主要來自地面和屋頂,雨水徑流系數(shù)均取0.9,棄流量厚度取5mm,棄流次數(shù)取100 次,平均回收利用率在80%~90%,該工程取90%。根據(jù)前面公式可求得每年能夠回收利用的雨水總量約為37728m3。
該項目所建設的雨水回收利用系統(tǒng)采用先進的技術和良好的設備,具體包括取水泵、壓力泵、二氧化氯發(fā)生器、紫外線殺菌設備等,根據(jù)前面分析,運營期間的費用主要為電費、維護費、人員工資。A 市當前電費為1.15 元/kW·h,該工程每年大約耗電20000kW·h,考慮到電費變動,加入A市的電費年上漲率為3%.每年的運營維護費用設定為10000元,年上漲率同取3%.人員工資方面,系統(tǒng)建成投入使用后,安排2 名員工輪流值班,負責日常檢查維修工作,為節(jié)約成本,可令物業(yè)人員擔任,每人每月工作1000 元,則一年24000 元,年工資增長率取9%.根據(jù)公式可求出當年的運營成本,比如2020 年,運營成本大約為25 萬元。同樣,可求得未來20 年內每年的成本費,前五年基本是效益低于成本,之后每年的經(jīng)濟效益不斷提高,現(xiàn)值也越來越多,最終計算出動態(tài)投資回收期為11 年,可節(jié)約費用約為65 萬元。加上各種間接效益,比如設備費用和維護費用降低,實際投資回收期可能更短。可見,該工程建設雨水回收利用系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益,具有可行性,雖然初始投資和運營成本較高,但該系統(tǒng)具還具有巨大的社會效益,應從長遠來看,為市民提供長期服務。
另外,需注意的是,雨水回收利用系統(tǒng)在年均降水量達到400mm 以上的地區(qū),經(jīng)濟效益比較明顯,但我國各地氣候差異較大,降水量亦是如此,比如,西北某些城市,年均降水量不足400mm,運用以上方法分析,并不可行,該方法適用于年均降水量在400mm 以上的地區(qū)??傊?,雨水回收利用系統(tǒng)并非購買一些設備裝置就能建設,建設前還應綜合考慮各地氣候、降雨量、水價以及其他因素,充分論證其可行性,然后再開展設計建設工作。
雨水回收利用系統(tǒng)在我國當前非常實用,既能節(jié)約市政供水,緩解水資源短缺的局勢,又能節(jié)約成本,具有極大的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。因此,應當加強此方面的研究,根據(jù)各地實際情況,考慮綜合因素,合理設計雨水回收利用系統(tǒng),使其優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。